محرك احتراق داخلي
محرك الاحتراق الداخلي هو محرك يتم فيه احتراق الوقودوالمادة المؤكسدة (عادة ما تكون الهواء) داخل حيز محدود يطلق عليه غرفة الاحتراق. ويطلق هذا التفاعل الطارد للحرارة غازات عند درجة عالية من الحرارة والضغط، ويُسمح لهذه الغازات بالتمدد. والأمر الرئيسي الذي يميز محرك الاحتراق الداخلي هو أن الشغل المفيد تبذله الغازات الحارة المتمددة التي تضغط مباشرة لتسبب حركة أجزاء المحرك الصلبة، وذلك بالضغط على المكبس أو الجزء الدوار أو حتى بتحريك المحرك بأكمله. وهذا على النقيض من محركات الاحتراق الخارجي، مثل المحركات البخارية ومحركات ستيرلينج، والتي تستخدم غرفة خارجية للاحتراق من أجل تسخين أحد الموائع الذي بدوره يبذل شغلا بتحريك مكبس أو توربينة على سبيل المثال. أما مصطلح "محرك الاحتراق الداخلي" فكان دائما تقريبا يُستخدم للإشارة إلى المحركات ذات المكبس الترددي (reciprocating piston engines)، ومحركات وانكل وما شابهها من التصميمات التي يحدث فيها الاحتراق على نحو متقطع. ومع ذلك، فإن المحركات ذات الاحتراق المستمر مثل المحركات النفاثة وأغلب الصواريخ والعديد من التوربينات الغازية هي أيضا محركات احتراق داخلي .
تاريخ نشأة محرك الاحتراق الداخلي وتطوره :-
لم يكن لدى محركات الاحتراق الداخلي الأولى عملية الكبس، ولكنها كانت تعمل بخليط من الهواء والوقود الذي يتم شفطه أو نفخه إلى الداخل أثناء الجزء الأول من شوط الإدخال. أما أبرز الفروق بين محركات الاحتراق الداخلي المعاصرة والتصميمات الأولى فهو استخدام الكبس، وبالأخص الكبس داخل الاسطوانة.
قام الجزري 1206 : بوصف طلمبة ذات مكبس ترددي ثنائي ذي شوطين متصلة بآلية تتكون من عمود الكرنك مع قضيب التوصيل.
بوصف محرك ليس به عملية الكبس .1509قامليوناردو دافنشي
قام كريستيان هويجنز1673 بوصف محرك ليس به عملية الكبس .
القرن السابع عشر استخدم المخترع الإنجليزي السير صمويل مورلاند البارود لتشغيل طلمبات المياة، ليكون أساسا هو الذي أنشأ أولى المحركات البدائية للاحتراق الداخلي.
ثمانينات القرن الثامن عشر: أنشأ ألساندرو فولتامسدسا كهربيا لعبة، كان يعمل على أساس إحداث شرارة كهربية تؤدي لتفجير خليط من الهواء والهيدروجين، مما يطلق سدادة من الفلين من فوهة المسدس .
قام روبرت ستريت1794 بإنشاء محرك ليس فيه عملية الكبس، لتظل الطريقة الأساسية لعمله هي السائدة لنحو قرن من الزمان..
أنشأ المهندس السويسري فرانسوا إيزاك دو ريفاز1806 محركا للاحتراق الداخلي يعمل بخليط من الهيدروجين والأكسجين ..
قام صمويل براون 1823بتسجيل براءة اختراع أول محركات الاحتراق الداخلي التي تم تنفيذها على المستوى الصناعي. وكان هذا المحرك بدون عملية الكبس وكان قائما على ما أسماه هاردنبرج "دورة ليوناردو"، والتي كانت كما يوحي الاسم قد عفا عليها الزمن في ذلك الوقت .
أثبت العالم الفيزيائي الفرنسي سادي كارنوت 1824نظريته في الديناميكا الحرارية حول الصورة المثالية للمحركات الحرارية. وقد أثبتت هذه النظرية علميا الحاجة للكبس من أجل زيادة الفرق بين درجات حرارة تشغيل المحرك العظمى والصغرى.
الأول من أبريل1826: حصل المخترع الأمريكي صمويل موري على براءة اختراع عن محرك يعمل بالغاز أو بالبخار بدون كبس
حصل المخترع الإنجليزي ويليام بارنيت1838 على براءة اختراع. وكانت هذه هي أول الاقتراحات بإحداث عملية الكبس داخل الاسطوانة.
سجل المخترعان الإيطاليان يوجينيو بارسانتي وفيليتشي ماتويتشي1854 براءة اختراع لأول المحركات الفعالة التي تعمل بنظام الاحتراق الداخلي ولكن لم يدخل هذا المحرك في حيز الإنتاج. وكان المحرك شبيها في فكرته الأساسية بمحرك أوتو لانجن غير المباشر، ولكنه لم يتم العمل عليه بالتفصيل .
أما في فلورنسا في مسابك بينيوني1856 (وهي الآن نووفو بينيوني، وهي شركة تابعة لشركة جنرال إليكترك)، فقد نفذ بييترو بينيني نموذجا صناعيا يعمل بالفعل لمحرك بارسانتي-ماتويتشي، وبلغت قدرته 5 حصان. وفي السنوات اللاحقة قام بتطوير محركات أكثر قوة ذات مكبس أو اثنين، والتي كانت ذات قدرة ثابتة واستخدمت في بعض المجالات التي حلت فيها محل المحركات البخارية .
1860أما المخترع البلجيكي جون جوزيف إتيان لونوار (1822-1900) فقد أنتج محركا للاحتراق الداخلي يعمل باحتراق الغازات ويشبه في مظهره المحرك البخاري الأفقي ثنائي الشوط بوجود الاسطوانات والمكابس وقضبان التوصيل ودولاب الموازنة (الحدافة) (flywheel) وكان وجه الاختلاف أساسا هو إحلال الغاز محل البخار. وكان هذا هو أول محركات الاحتراق الداخلي التي تم إنتاجها بكمية .
قام المخترع الألماني نيكولاوس أوتو1862بتصميم محرك ذي مكبس حر ويتحرك في أشواط بشكل غير مباشر بدون حدوث عملية الكبس، وقد تميز هذا المحرك بفعاليته العالية مما أكسبه مساندة منطقة لانجن في ألمانيا ثم بعد ذلك أغلب السوق، والذي كان في ذلك الوقت تغلب عليه المحركات الصغيرة الثابتة التي يتم تشغيلها بغاز المصابيح .
في فيينا، قام زيجفريد ماركوس1870 بوضع أول محرك متحرك يعمل بالجازولين على عربة يد ..
قام نيكولاوس أوتو بالتعاون مع غوتليب دايملروفيلهلم مايباخ1876.بتطوير محرك عملي ذي أربعة أشواط (قائم على دورة أوتو). ولكن المحاكم الألمانية مع ذلك لم تعتبر براءة الاختراع هذه شاملة لكل المحركات التي يحدث فيها الكبس داخل الاسطوانة أو حتى ذات الأربعة أشواط، وبعد هذا القرار أصبح الكبس داخل الاسطوانة منتشرا عالميا .
تمكن المخترع الأمريكي صمويل موري1876 من صنع النموذج الأولي لمحرك احتراق داخلي بإحداث عملية الكبس داخل الاسطوانة وتعددية الاشواط، الذي فتح افاقا جديدة لصناعة محركات الاحتراق الداخلي من خارج ألمانيا والقارة الاوروبية, فيما بعد انضم وجون جوزيف المخترع البلجيكي إلى شركة دوزونبيرغ الأمريكية .Duesenberg لصناعة السيارت
حصل كارل بنز 1879 الذي كان يعمل بشكل مستقل على براءة اختراع لمحرك الاحتراق الداخلي الذي اخترعه، وكان عبارة عن محرك ذي شوطين قائم على تصميم نيكولاوس أوتو للمحرك ذي الأربعة أشواط. وفيما بعد، قام بنز بتصميم وإنشاء محركه ذي الأربعة أشواط والذي كان مستخدما في سياراته، التي أصبحت أول السيارات التي تدخل في حيز الإنتاج في المانيا .
اخترع جيمس أتكينسون1882 المحرك الذي يقوم على دورة أتكينسون. وكان محرك أتكينسون به مرحلة واحدة يعطي فيها القدرة لكل دورة، هذا بالإضافة إلى الاختلاف في الأحجام عند الإدخال وعند التمدد، مما جعله أكثر فاعلية من دورة أوتو .
أما هربرت أكرويد ستيوارت1891 فقد أنشأ محركه الذي يعمل بالبترول وقد أعطى حقوق الاختراع لشركة هورنسبي في إنجلترا لتصنيعه. وقاموا هناك ببناء أول المحركات التي تبدأ تشغيلها على درجة الحرارة الباردة والتي بها عمليات الكبس والإشعال. وفي عام 1892، قاموا بتركيب أوائل المحركات في إحدى محطات طلمبات المياة. وفي نفس العام، تم عمل محرك تجريبي يعمل على ضغط أعلى بحيث يكون الإشعال فيها مستمرا بشكل ذاتي من خلال الكبس فقط .
قام رودلف ديزل 1892بتطوير محركه الحراري القائم على نظرية كارنوت والذي يعمل بإحراق تراب الفحم .
23فبراير 1893: حصل رودلف ديزل على براءة اختراع عن محرك الديزل الخاص به ..
قام كارل بنز1896 باختراع محرك بوكسر والذي يعرف أيضا بالمحرك المتباين أفقيا والذي تصل فيه المكابس المتناظرة إلى مركز المحرك في نفس الوقت .
قام رودلف ديزل بعرض محرك الديزل في المعرض العالمي في عام 1900 باستخدام زيت الفول السوداني (انظر الديزل الحيوي).
قام فيلهيلم مايباخ1900 بتصميم محرك تم إنشؤه في شركة دايملر للمحركات، متبعا مواصفات إميل جيلينيك، والذي اشترط تسمية المحرك دايملر مرسيدس على اسم ابنته. في عام 1902 بدأ إنتاج السيارات التي تعمل بهذا المحرك لدى شركة دايملر للمحركات.
1908في نيوزيلاندة بدأ المخترع إرنست جودوارد مشروعا تجاريا لإنتاج الدراجات النارية في إنفركارجيل، حيث قام باستخدام دراجات مستوردة وركب عليها اختراعه- جهاز لترشيد استهلاك البنزين. وقد عملت هذه الأجهزة بنجاح في السيارات أيضا كما في الدراجات النارية.
تطبيقات عملية:-
تستخدم محركات الاحتراق الداخلي في الأغلب الأعم في دفع المركبات والمعدات وغير ذلك من الماكينات التي يمكن تحريكها. وفي المعدات المتحركة، تتمتع محركات الاحتراق الداخلي بميزة أنها تحقق قدرة عالية بالنسبة إلى وزنها، وذلك بالإضافة إلى قدرتها المتميزة على استخلاص مقدار كبير من الطاقة من الوقود. وقد ظهرت هذه المحركات في سائر وسائل النقل سواء في السيارات والشاحنات والدراجات النارية والقوارب والعديد من أنواع الطائرات والقاطرات، وهي عموما تعمل بالمنتجات البترولية (ويطلق عليها محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل كليا بالمنتجات البترولية APICEV). وكذا الحال بالنسبة للسفن الكبيرة وطائرات الهليوكوبتر والطائرات النفاثة، حيث تتطلب قدرات عالية، وتكون في صورة توربينات
وتستخدم أيضا في النطاق الصناعي كمولدات كهربائية، أي مولدات تعمل على جهد 12 فولت .
كيفية التشغيل :-
تعتمد جميع محركات الاحتراق الداخلي على عملية الاحتراق وهي عملية كيميائية طاردة للحرارة. ويتم تفاعل احتراق الوقود عادة بأكسجين الهواء الجوي، إلا أنه يمكن أحيانا استخدام مؤكسدات أخرى مثل أكسيد النيتروز
انظر أيضا القياس الكمي الكيميائي . (stoichiometry)
وأكثر أنواع الوقود شيوعا هي تلك التي تتكون من الهيدروكاربونات والتي تكون غالبا مشتقة من البترول. وتشتمل على أنواع الوقود المعروفة بوقود الديزل والجازولين وغاز البترول، مع استخدام أكثر ندرة لغاز البروبان. ويمكن لأغلب محركات الاحتراق الداخلي المصمة للعمل بالجازولين أن تعمل أيضا بالغاز الطبيعي أو بغازات البترول المسالة بدون تعديلات كبرى باستثناء مكونات توصيل الوقود. ويمكن أيضا استخدام أنواع الوقود الحيوي سواء في صورة سائلة أو غازية، مثل الإيثانول والديزل الحيوي (وهو أحد أشكال الديزل الذي يتم إنتاجه من المحاصيل التي تحتوي على الجلسريدات الثلاثية مثل زيت الصويا). ويمكن لبعضها العمل بغاز الهيدروجين
وينبغي لجميع محركات الاحتراق الداخلي تحقيق الإشعال في داخل الاسطوانات من أجل إيجاد الاحتراق. وعادة تستخدم المحركات إما طريقة الإشعال بالشرارة أو نظام الإشعال بالكبس. وفيما مضى كانت تستخدم طرق أخرى باستخدام مواسير ساخنة أو شعلات من اللهب. محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالبترول .
عملية اشتعال الجازولين :-
تعتمد أنظمة اشتعال الجازولين (التي يمكنها أن تعمل بأنواع أخرى من الوقود كما هو مذكور سالفا) أو الإشعال الكهربائي على مجموعة متركبة من بطارية رصاص-حامض وملف حث لإحداث شرارة على جهد كهربائي عال لإشعال خليط الهواء والوقود داخل اسطوانات المحرك. ويمكن إعادة شحن البطارية أثناء العمل باستخدام أداة لتوليد الكهرباء مثل مولد كهربائي أو مولد ترددي يعمل على المحرك. وتأخذ محركات الجازولين خليط الهواء والوقود وتضغطه إلى أقل من 185 رطل للبوصة المربعة (12,75 بار) وتستخدم شمعة الإشعال (البوجي) إشعال الخليط عندما يتم كبسه من خلال رأس المكبس في كل اسطوانة .
عملية إشعال الديزل :-
تعتمد أنظمة إشعال الديزل، مثل الموجودة في محركات الديزل ومحركات HCCI اعتمادا كليا على الحرارة والضغط الذين يحدثهما المحرك خلال عملية الكبس من أجل الإشعال. ويكون الكبس الذي يحدث هنا عادة أعلى مما يحدث في محركات الجازولين بثلاثة أضعاف. تقوم محركات الديزل بسحب الهواء فقط، وقبل الوصول لذروة الكبس، يتم رش كمية صغيرة من وقود الديزل في الاسطوانة من خلال حاقن للوقود يسمح للوقود بالاشتعال على الفور. أما محركات HCCI فهي تسحب الهواء والوقود معا ولكن تظل معتمدة على الاحتراق الذاتي بدون مساعدة وذلك نظرا لارتفاع الضغط والحرارة بها. وهذا هو السبب الذي يجعل محركات الديزل ومحركات HCCI أكثر عرضة لمشاكل البدء في درجات الحرارة المنخفضة، إلا أنها بمجرد أن تبدأ العمل عند درجات الحرارة تلك، فسوف تعمل بشكل جيد أيضا. وأغلب محركات الديزل بها بطاريات وأنظمة للشحن، إلا أن هذا النظام يعد ثانويا ويضيفه المصنعون كنوع من الرفاهية لتسهيل البدء وللتحكم في الوقود (الأمر الذي يمكن القيام به من خلال دائرة توصيل أو أداة ميكانيكية)، ولتشغيل المكونات الكهربية المساعدة والكمالية. إلا أن أغلب المحركات الجديدة تعتمد على الأنظمة الكهربية التي تتحكم أيضا في عملية الاحتراق من أجل زيادة الفعالية وتقليل الانبعاثات .
